核磁共振波谱仪的管理实践与展望

崔庆新， 彭佳敏， 李岩君， 陶 瑾， 高 磊， 孙经纬

（南开大学a.药学院；b.实验室设备处，天津300071）

0 引 言

核磁共振波谱仪（简称核磁）属于高端精密的大型仪器，它在医学，药物化学，中药学，有机化学，材料化学和环境化学等许多研究领域中发挥着极其重要的作用。2015年，药学院将位于八里台校区的核磁（型号：Bruker 400M AVANCEⅢ）搬到津南校区，安置在药学院仪器平台核磁共振室，成为津南校区首台也是唯一的一台核磁。2018年，药学院和设备处又利用“双一流”经费购置了一台核磁（型号：Bruker 400M AVANCE NEO）。这台新核磁具有双通道采集数据的功能，弥补了原有核磁逐个采集数据的不足，标志着我院的核磁平台迈上了新台阶。核磁的购置费昂贵，维护、维修成本高。因此，本文对核磁实验室的管理模式进行了总结，从设备管理，安全管理，培训管理和技术服务等4个方面进行详细介绍，以期为今后的相关工作提供参考。最后，对于核磁的硬件升级和拓展应用范围进行了展望。

1 核磁的设备管理

核磁的主要部件包括磁体、机柜、自动进样器。另外，还包括操作电脑，数据备份电脑，UPS不间断电源和空气压缩机等辅助设备。

1.1 核磁室的环境管理

核磁是高度精密的科研仪器，粉尘，有机溶剂，水蒸气，高热，震动，磁场干扰都会对测试结果产生很大的影响。因此，核磁室要保持窗户关闭，进行每日的吸尘，空调除湿，始终保持21℃，严禁带手机，磁卡等磁性设备接近核磁，严禁用未消磁的工具进行核磁的维修和维护。为此，安装了不间断的摄像，能够实时监控核磁室的状态。核磁室的整体排列情况，如图1所示。

1.2 机柜的维护管理

机柜是核磁设备的信号接收和发射，数据采集和传输中心，所以其正常运转对于核磁至关重要。管理员需要每日观察机柜示数（98或94为正常），发现故障代码要及时处理。每7～10 d进行一次核磁调谐，使其磁场的频率恢复最佳状态。每月进行1次内部除尘，保证机柜内部的清洁和探头的干燥，使得核磁能够良好运转［2］。

1.3 磁体的维护管理

超导磁体是核磁的核心部件，必须精心维护。当核磁运行时，必须使用液氦来维持超导状态。液氮是液氦的低温补偿，通过自身减少来保持液氦的水平，如果液氮不足，会加大液氦的消耗，这会导致超导线圈的磁场漂移并增加维护成本，因此必须时刻关注液氮和液氦的水平，定期添加液氮和液氦［3］。通过学校网上商城，与商城认定的有资质的气体供应商订立了购销合同，每周定时补充液氮，每5个月补充一次液氦。

1.4 规范电脑和数据备份管理

每天都要检查操作电脑和数据备份电脑的计费网关和数据传输状态，而且要每周重启一次，保持电脑运行的流畅状态。在核磁测试过程中，操作人员要严格遵守操作规程，不允许电脑连接校外网，乱点光标，随意中止测试，防止死机，以保证电脑和Topspin软件的正常运行。

1.5 辅助设备的管理

UPS不间断电源需要经常检查其充放电状态，发现电源负载过高（超过50%）或者电池衰减过快就要及时更换，必须保证可以维持核磁连续使用4～6 h。要经常检查空气压缩机的干燥塔和输气管，当发现干燥塔水分超标时，要及时更换，以免水分进入磁体，凝结后使得磁场混乱。输气管有轻微漏气就要更换，以免给空压机带来额外的负荷。将空压机设定为达到输出气压后，就要自动关闭，以此来延长其电机的使用寿命［4］。此外，空压机要安置在隔离的房间内，① 避免其噪声影响其他仪器，② 要保持空调制冷，保证其干燥凉爽的运行状态。

1.6 建立完整的核磁维护记录

核磁每次调谐，维修或者充液氮液氦之后，都要详细的记录时间、核磁状态和辅助设备的运行情况，并且维护人员签字。这样，当管理员再次维护核磁时，看记录本便可知晓先前的状态。另外，当核磁管理员出现变化时，对于核磁以前的状态和养护记录，也有据可查。这就有效防止由人员变动引起的仪器管理脱节状态，并且有助于溯源追查仪器故障。

2 核磁的安全管理

2.1 设备安全管理

建立核磁安全管理制度（包括磁场警示，低温警示，缺氧警示等），并将其悬挂于核磁室醒目的位置。测试样品时，必须有操作人员在现场，以便及时处理突发状态。因为核磁正常工作时有着超强的磁场，所以必须保持核磁室内的清洁，避免铁磁性物质的吸入。同时，我们设立了醒目的标识，严禁携带磁性物品接近核磁，严禁测定有磁性的样品［5］。

2.2 维护安全管理

在核磁维护中提到，核磁腔体内包含大量的低温的液氦和液氮，在充装液氮、液氦以及进行核磁维修时，必须要佩戴护目镜、防护手套、穿隔离衣，避免直接接触低温的液态气体而被冻伤［6］。同时，长时间在核磁室维护仪器或者测试样品时，要注意室内的氧气浓度，保证通风，避免缺氧和窒息的危险。

3 实验室人员管理

核磁属于昂贵的大型科学分析仪器，它需要精心维护、养护，而参与核磁管理和使用的人员是维护核磁正常运行的最关键一环，须采取以下管理模式。

3.1 制度管理

（1）制定普适性的工作守则和水、电、气、温湿度管理制度。

（2）特定的核磁共振实验室的准入规章制度和实验室物品管理制度；严格管理设备的使用，未经仪器管理员授权，一律不准独自操作仪器。

（3）液氮、液氦的充装和液面监控，以及其他辅助设备（如空压机等）的维护、维修记录管理制度。

（4）核磁日常维护的标准操作规程及负责人。

（5）设备异常情况的处理及报告程序，联系电话。

（6）测试预约、样品的标准及标识，取送样的放置区域及排序规则。

（7）测试记录和数据存储制度；包含课题组名称、测样日期、样品管、样品名称等的详细信息、数据存储路径和数据备份。

3.2 培训管理

在每个学期的前3周，核磁管理员要对申请使用核磁的用户进行一次全面培训，内容为核磁的原理和标准操作。用户应为硕士、博士研究生或者博士后，修完波谱分析等相关课程。培训完成后，用户进行理论考试和上机考试，每人独立测试1～2个样品。经过严格考核后，管理员开通用户的使用权限，并按照毕业年限来设定使用期限［7］。用户在此期间必须严格遵守操作规程，不得擅自违规操作，违反操作规程将按照情节的严重程度封禁一段时间的账号，并根据损害程度处以罚款。未经培训或培训不合格的人员一律不准操作仪器。

3.3 核磁开放共享管理

随着各个学科的发展，对于核磁测试的需求越来越多，仅靠白天的工作时间很难满足测试需求，所以实验室采用24 h核磁开放，充分利用晚上和假日时间，成倍地增加了可用时间。为了保证核磁室的安全，采用门禁、监控和测试账号的综合管理，即使用课题组账号才能进入核磁室，使用培训通过的测试账户进行测试，并确保整个测试过程都在监控之下。

近年来，学校仪器平台具有包括用户注册、灵活预约、授权使用、自动计费、财务管理、数据传输等功能，为使用者提供了一个方便、快捷、透明的服务平台，实现了仪器信息公开、管理权限明确、预约收费方便、报表统计简捷的智能化管理系统。津南校区的药学，环境，材料等相关学科快速发展，运用核磁的科研项目也日益增多，因此，客户必须至少提前1 d预约，根据预约的时间来及时准备样品，从而提高测试效率，避免抢机时或者机时空闲，有效利用核磁机时。最近3年来，核磁基本上处于全年无空闲状态。

4 服务管理

核磁共振室服务的对象是天津市海河教育园区的各所大学和京津冀地区的化学公司，客户繁多（见图2），样品种类和测试类型也是多种多样。因此，在测试服务管理方面，采取以下方面来保证测试服务的高精度，高准度。

图2 药学院核磁服务的课题组数

4.1 样品分类管理

核磁测试的样品主要是小分子化合物，还有少量高分子材料或蛋白质样品。由于样品的种类复杂，经过前处理后只有微小的颜色区别，所以样品应合理分类，做好标签［8］。另外，应根据样品测试时间和测试类型分别存储，以便客户在测试后快速调出测试结果，取回样品。

4.2 测试样品登记

所有测试数据在完成后自动备份到数据电脑，用户通过FTP或者邮箱发送的方式来传输数据，严禁使用U盘等可移动设备。对于所有的测试数据，每3个月用核磁室专用的移动硬盘拷贝备份。

核磁管理员为每个长期测试的研究组设置了专门的账户，有着确定的权限和数据存储路径，这种管理方法对研究组和平台都很方便。研究组查看测试结果时，只需找出自己的账户，按照时间点来查找测试样品即可，大大节约了研究组查找数据的时间。

4.3 测试样品数据管理

校内课题组采用FTP或者电子邮件来获得数据，校外用户可以使用核磁专用的移动硬盘来复制数据，或由管理员通过电子邮件将测试结果发送给用户。核磁设备和电脑系统绝不允许将用户的USB闪存盘插入到操作计算机和数据计算机中。

5 核磁管理效果及效益

5.1 用户和课题组快速增长

自2015年12月在津南校区建立核磁室以来，前来测试的研究组和用户数量大幅增加，现在已从2015年的13个研究组增加到52个。每年的新增用户从2015年的93人增加到132人。2015年大多数用户是药学院的用户，现在用户逐渐从药学院扩展到其他院系，下一步将扩展到更多的校外用户。

5.2 核磁机时持续高位运行

随着使用核磁的课题组和用户的逐年增加，核磁的机时也连续3年保持满负荷状态，年机时数达到5 000 h，2016年和2017年几乎没有任何故障。科学，合理，规范的管理确保了核磁的正常运行，提高了核磁的准确性和稳定性，确保了核磁开放式共享服务的质量。

5.3 服务各类基金项目

各个学科使用核磁的研究项目逐年增加，获得资助的项目从2015年的7项，2017年达35项，增长了4倍，如图3所示。这表明核磁已经成为许多科研项目的重要支撑，在科研项目的申请和完成中发挥着越来越重要的作用。

图3 核磁所服务的科研项目变化

6 特色与展望

6.1 核磁的固件升级，功能扩大

购置超低温探头，使用超低温探头对原有的核磁进行升级后，将具有最新的功能，能以正常和反向方式进行检测的全频段接收通道。可以执行氘核锁定场和氘梯度梯度自动匀场，Z脉冲梯度场，具有高精度的变温实验功能，提高数据处理速度和存储容量，可获得最佳的一维和二维图谱，并可以进一步将应用范围扩大到核酸，蛋白质等大分子样品［9］。

6.2 核磁的应用扩大到代谢组学

核磁共振技术具有简便、快速、无选择性等特点，可以最大程度还原体现机体整体的代谢变化，非常符合传统中医药研究对于研究对象整体性的要求。作为代谢组学中新兴的分析方法，核磁分析方式灵活多样，既能满足代谢组学的需要，同时检测尽可能多的化合物，又可提供完整的代谢物图谱，无须过度处理样品并提前设置复杂的仪器测量参数。更重要的是，可很好地避免质谱检测中一些随参数设定变化的因素如样品雾化、离子化等问题。目前，许多学者利用核磁对中医证候、中药药效及毒性机理等从代谢组学研究中取得了大量成果，值得深入研究［10-12］。

6.3 创新的管理方式

采用完备的管理制度，核磁管理人员可以缓解繁重的常规测试任务，利用其他时间来自我学习和充电，查阅前沿的文献或者从事相关领域的科研工作来扩展核磁的使用范围，提高自己在核磁领域的专业知识与技能［13-14］。核磁管理员还可以组织核磁的用户定期开讨论会，交流自己在测试过程中遇到的问题和心得。此外，核磁管理员可以通过邮件和微信了解研究组的研究需求，并通过自身的专业知识与技能为科研项目的申请和执行提出有效的技术解决方案，发挥必要或新的支持作用［15-16］。

7 结 语

津南校区仪器平台的2台核磁共振波谱仪的购置成本较高，设备精密并且易于出现故障，维修费高昂。因此，核磁管理员必须认真负责，掌握相关的仪器原理和维护知识，严格执行核磁实验室管理制度。管理员精心的维护核磁及其附属设备，可以有效降低核磁的故障率，提高测样的准确性和精密度，使其在多领域的科研工作中发挥越来越大的作用。此外，管理员还要不断学习，提高自身的知识和技能水平，拓宽核磁的应用领域，以满足更深入的科研需求。